地鐵車站雙層暗挖段零距離下穿既有市政隧道風(fēng)險(xiǎn)分析

房 旭

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

在城市地鐵的建設(shè)過(guò)程中，往往會(huì)遇到新建地鐵線路近距離甚至零距離穿越既有建構(gòu)筑物的工程難題。 地鐵下穿施工必然對(duì)既有地下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生擾動(dòng)，影響既有結(jié)構(gòu)的安全。 楊成永[1]等以某地鐵下穿既有車站工程為例，提出了密貼下穿既有車站的施工技術(shù)，并制定了“CRD+千斤頂”支護(hù)法及注漿等輔助措施;扈士琰[2]采用數(shù)值模擬方法對(duì)車站近接既有隧道結(jié)構(gòu)施工進(jìn)行分析和動(dòng)態(tài)模擬;沈小輝[3]等對(duì)既有車站下方土體進(jìn)行預(yù)加固、在暗挖隧道與既有車站間設(shè)置千斤頂兩種方法進(jìn)行對(duì)比分析，推薦了千斤頂法。 還有不少學(xué)者對(duì)零距離下穿既有結(jié)構(gòu)進(jìn)行了許多有意義的研究工作[4-15]，并取得了一些很有應(yīng)用價(jià)值的研究成果。 針對(duì)成都某地鐵站局部雙層暗挖段零距離垂直下穿既有市政隧道及高架橋工程，通過(guò)建立三維數(shù)值模型，模擬雙層暗挖段施工過(guò)程，揭示既有市政隧道結(jié)構(gòu)、高架橋基的沉降特性，提出相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制措施。

1 工程概況

某既有市政隧道結(jié)構(gòu)包括U 槽結(jié)構(gòu)、普通雙孔閉合框架等，全長(zhǎng)約449.071 m。 其中，框架段全長(zhǎng)110 m，每22 m 設(shè)置變形縫1 道。 新建車站下穿段為雙孔閉合框架段。

新建地鐵車站采用地下三層島式站臺(tái)，跨路口設(shè)置，與既有市政隧道垂直交叉，交叉段為地下兩層結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)段外包寬度為22.5 m，島式站臺(tái)寬13 m，車站覆土厚約4.3 m。 新建車站與既有市政隧道平面交叉關(guān)系如圖1 所示。

車站邊導(dǎo)洞跨隧道變形縫布置，邊導(dǎo)洞距離高架基礎(chǔ)約8.5 m。 車站與市政橋隧剖面相對(duì)關(guān)系如圖2 所示。

2 數(shù)值模擬

圖1 新建車站與既有市政隧道平面交叉關(guān)系

圖2 新建車站與既有市政橋隧豎向交叉關(guān)系(單位：m)

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，擬建場(chǎng)地范圍內(nèi)從上至下的地層主要為第四系人工填土層、第四系全新統(tǒng)沖洪積松散-密實(shí)卵石層，場(chǎng)地穩(wěn)定性較好;地下水主要為第四系卵石層的孔隙潛水，抗浮設(shè)計(jì)水位為地下2 m。

根據(jù)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)資料、工程現(xiàn)場(chǎng)自然環(huán)境及既有地下結(jié)構(gòu)型式，車站密貼穿越既有市政橋隧擬采用PBA 六導(dǎo)洞法施工，其中上層4 個(gè)導(dǎo)洞為平頂直墻結(jié)構(gòu)，下層兩個(gè)導(dǎo)洞為拱頂直墻結(jié)構(gòu)。

采用三維數(shù)值計(jì)算程序?qū)π陆ㄜ囌镜氖┕み^(guò)程進(jìn)行仿真模擬計(jì)算。 混凝土及土體采用實(shí)體單元模擬，導(dǎo)洞初支采用殼單元模擬。 兩側(cè)水平約束，底部豎向約束，區(qū)域頂面自由(如圖3)。 采用有限元彈塑性本構(gòu)模型和Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則，并假定材料為各向同性均勻介質(zhì)。 工程地質(zhì)力學(xué)參數(shù)如表1 所示。

為便于識(shí)別，將6 個(gè)導(dǎo)洞按照1 ～6 的順序進(jìn)行編號(hào)，如圖4 所示，其中1、4 導(dǎo)洞跨市政隧道變形縫。

圖3 有限元計(jì)算模型

表1 工程地質(zhì)參數(shù)

為了減少1、4 導(dǎo)洞開(kāi)挖對(duì)變形縫兩側(cè)結(jié)構(gòu)的影響，1、4 導(dǎo)洞最后開(kāi)挖，按5-6-2-3 的順序先期開(kāi)挖中間四個(gè)導(dǎo)洞。 中間四個(gè)導(dǎo)洞開(kāi)挖完成后，在導(dǎo)洞內(nèi)施作底縱梁、鋼管柱及頂縱梁，形成對(duì)中間市政隧道的豎向支撐體系，如圖5 所示。

圖5 中間市政隧道的豎向支撐體系

采用臺(tái)階法錯(cuò)距開(kāi)挖1、4 號(hào)邊導(dǎo)洞，從兩邊導(dǎo)洞向下施作人工挖孔樁。 邊樁打設(shè)完成后，及時(shí)施作樁頂冠梁，形成對(duì)市政隧道的四樁基支撐體系，如圖6 所示。

圖6 市政隧道的四個(gè)樁基支撐體系

導(dǎo)洞間土體貫通后，沿車站縱向分段(每段不大于一個(gè)柱跨)鑿除1、2、3、4 號(hào)小導(dǎo)洞部分的初期支護(hù)結(jié)構(gòu)，施工頂板防水層及結(jié)構(gòu)二襯，最終形成由車站頂板、邊樁及中柱組成的支撐體系，如圖7 所示。 最后，逆作法施工車站剩余主體結(jié)構(gòu)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖7 市政隧道的豎向支撐體系

3 車站施工對(duì)市政橋隧的影響分析

車站施工完成后的應(yīng)力云圖如圖8 所示。 由圖8 可看出，青華路站開(kāi)挖對(duì)車站正上方變形縫兩側(cè)的市政隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較大的影響，而對(duì)鄰近二環(huán)高架橋基的市政隧道結(jié)構(gòu)影響較小。 因此，控制變形縫兩側(cè)的市政隧道結(jié)構(gòu)變形為施工控制的重點(diǎn)。 為減少車站小導(dǎo)洞開(kāi)挖對(duì)市政隧道基礎(chǔ)的削弱，采用全斷面注漿加固的方式對(duì)導(dǎo)洞間土體進(jìn)行加固。 取車站與箱涵交點(diǎn)斷面為觀察斷面，對(duì)應(yīng)車站施工各主要開(kāi)挖步序的地表沉降云圖及沉降曲線如圖9～圖12 所示。

圖8 市政隧道應(yīng)力

圖9 5/6 導(dǎo)洞開(kāi)挖地表沉降

圖10 2/3 導(dǎo)洞開(kāi)挖地表沉降

圖11 1/4 導(dǎo)洞開(kāi)挖地表沉降

圖12 模型地表沉降曲線(剖面模型)

各步序開(kāi)挖引起的地表沉降最大值及所占百分比如表2 所示。 由表2 可知，地表最終最大沉降值大致出現(xiàn)在車站結(jié)構(gòu)中心線附近，約為28 mm;5 號(hào)、6 號(hào)導(dǎo)洞的開(kāi)挖對(duì)地表沉降的影響最大，引起的地表最大沉降約占最終最大沉降的39%，其次是2 號(hào)、3 號(hào)導(dǎo)洞開(kāi)挖，引起的地表最大沉降占最終最大沉降的百分比約為24%。

表2 地表最大沉降值占比

取車站與箱涵交點(diǎn)斷面為觀察斷面，對(duì)應(yīng)車站施工各主要開(kāi)挖步序的市政隧道沉降云圖及沉降曲線如圖13～圖16 所示。

圖13 5/6 導(dǎo)洞開(kāi)挖隧道沉降

圖14 2/3 導(dǎo)洞開(kāi)挖隧道沉降

圖15 1/4 導(dǎo)洞開(kāi)挖隧道沉降

圖16 市政隧道沉降曲線(剖面模型)

各步序開(kāi)挖引起的市政隧道沉降最大值占地表最終最大沉降值的百分比如表3 所示。 隧道結(jié)構(gòu)的最大沉降出現(xiàn)在車站結(jié)構(gòu)中線位置，約為34 mm;導(dǎo)洞開(kāi)挖階段對(duì)隧道結(jié)構(gòu)沉降的影響最大，沉降值約占最終最大沉降值的80%，其中5 號(hào)、6 號(hào)導(dǎo)洞的開(kāi)挖對(duì)地表沉降的影響最大，引起的地表最大沉降約占最終最大沉降的37%，其次是2 號(hào)、3 號(hào)導(dǎo)洞開(kāi)挖，引起的地表最大沉降占最終最大沉降的百分比約為28%。

表3 隧道結(jié)構(gòu)底板最大沉降值占比

由圖16 可以看出，兩變形縫間的市政隧道結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)剛性整體沉降，兩變形縫外與兩變形縫之間的差異沉降明顯，車站開(kāi)挖對(duì)高架橋基礎(chǔ)所在隧道結(jié)構(gòu)沉降的影響較小。

4 擬采取的措施

車站施工對(duì)車站上方兩變形縫間隧道結(jié)構(gòu)節(jié)段的沉降影響較大。 因此，如何控制該節(jié)段范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)沉降為本工程的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

密貼下穿既有市政隧道施工過(guò)程中，因小導(dǎo)洞的開(kāi)挖擾動(dòng)，引起其上部既有結(jié)構(gòu)和周邊土層的應(yīng)力重分布，從而引起既有隧道結(jié)構(gòu)的較大變形。 因此，考慮在小導(dǎo)洞開(kāi)挖時(shí)對(duì)導(dǎo)洞間土體進(jìn)行注漿加固，增加導(dǎo)洞間的土體剛度，減少導(dǎo)洞施工對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的削弱作用。 及時(shí)對(duì)初支背后進(jìn)行回填注漿，保證導(dǎo)洞頂板與市政隧道底板密貼。 改進(jìn)噴射混凝土工藝，先噴射10 mm 厚砂漿，再噴射混凝土，以保證初支頂板與市政隧道底板密貼。 “短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、快封閉”，充分利用“時(shí)空效應(yīng)”，在既有結(jié)構(gòu)發(fā)生沉降前即形成導(dǎo)洞封閉。

既有市政隧道變形縫兩側(cè)的差異沉降較大。 為了保證既有市政隧道內(nèi)的行車安全，采用了千斤頂頂升的手段，對(duì)既有市政隧道結(jié)構(gòu)提供輔助支撐。 千斤頂可以安裝在小導(dǎo)洞初支結(jié)構(gòu)上，隨著開(kāi)挖及監(jiān)測(cè)情況，分級(jí)加載、動(dòng)態(tài)調(diào)控，減少既有結(jié)構(gòu)變形縫間的差異沉降。

5 結(jié)論

(1)車站施工對(duì)車站上方兩變形縫間隧道結(jié)構(gòu)節(jié)段的沉降影響較大，兩變形縫間市政隧道結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出剛性整體沉降，驗(yàn)證了“先期開(kāi)挖中間四個(gè)導(dǎo)洞，在導(dǎo)洞內(nèi)施作底縱梁、鋼管柱及頂縱梁，形成對(duì)中間市政隧道的豎向支撐體系”的施工歩序是合理的。

(2)導(dǎo)洞開(kāi)挖階段對(duì)既有市政隧道結(jié)構(gòu)的沉降影響占比最大，應(yīng)采取相應(yīng)措施減少導(dǎo)洞開(kāi)挖的多次擾動(dòng)，抑制既有隧道結(jié)構(gòu)的較大變形。

(3)采用千斤頂頂升等手段，對(duì)既有市政隧道結(jié)構(gòu)提供輔助支撐，可減少既有結(jié)構(gòu)變形縫兩側(cè)的差異沉降。